据中国激光杂志社网，于2023年10月11日报道，自二十世纪六十年代光纤技术应用于激光器以来，光纤激光器一直是国际激光领域的研究热点，在光纤传感、光通信等领域均有广泛应用。除了作为优质的脉冲光源，还可作为非线性光学系统平台来研究各种孤子动力学行为。同时输出两种波长或多种波长的光纤激光器克服了多台单波长激光器结构复杂的缺点，应用极为广泛。通常光纤激光器的腔长较长，纵模间隔较小，多为多纵模工作，这限制了它的应用和发展。而双波长单纵模运转的光纤激光器因具有频差大、调谐方便以及窄线宽的特点，可获得足够长的相干长度，以进行长距离测量，因此被广泛应用于激光干涉测量、高速相干光通信等领域。
借助于锁模器件，在光纤激光器中已获得了各种类型的孤子脉冲，如耗散孤子、双波长锁模、可切换锁模、多脉冲锁模等。其中双波长锁模光纤激光器作为超快光纤激光器家族中的一员, 由于具有输出波长数目多、光束质量高、转换效率高和结构紧凑等优点而成为研究热点，不仅在超大容量光通信系统中发挥作用，还广泛应用于光谱学、相控阵天线和微波产生等领域, 逐渐成为国际关注的焦点课题。
基于此，河北工业大学先进激光技术研究中心吕志伟教授课题组综述了双波长锁模光纤激光器的国内外研究现状，并对双波长锁模光纤激光器的原理、技术难点以及未来发展方向进行了分析和讨论。相关成果以“双波长锁模光纤激光器研究进展”为题发表于《量子电子学报》。
主要内容
目前，双波长锁模激光器主要包括基于双谐振腔结构的双波长锁模光纤激光器，基于二维材料的双波长锁模光纤激光器和基于腔内滤波效应的双波长锁模光纤激光器。其中采用双谐振腔结构的双波长锁模光纤激光器可共享增益介质，也可采用不同的增益介质，如图1所示，通过使用双腔结构可使双波长锁模运转的输出稳定性较好。
基于二维材料的双波长锁模光纤激光器，所用二维材料如拓扑绝缘体、碳纳米管和黑磷等具有特殊的“狄拉克锥”型能带结构，如图2所示，当入射光能量较低时，价带电子线性吸收光子能量跃迁到导带，表现为线性吸收过程，由于2D材料具有对称的能带结构，从导带到禁带的电子激发，动量守恒能够自动满足，从而产生一个非常宽的光吸收谱。随着入射光能量逐渐增加，价带和导带中所对应的光子能量带全部被电子和空穴占据，阻止了对光子的进一步吸收，这时2D材料达到饱和态，光子无损耗通过。因此2D材料可以实现宽波长范围内的饱和吸收特性和高非线性特性。基于上述非线性效应，功率在不同波长间重新分配，可有效抑制增益光纤均匀展宽引起的模式竞争、跳变，从而实现多波长脉冲输出。
基于腔内滤波效应的双波长锁模光纤激光器结构如图3所示，其滤波效应通常由一些光学器件或非线性效应诱导产生，如多模光纤、马赫-曾德干涉仪等，且滤波器的周期、中心波长等可通过改变器件相应参数进行调整，相比于其它方式更具灵活性。
此外，文章针对上述几种双波长锁模激光技术，分析了双波长锁模光纤激光器的国内外研究现状，并对其工作原理、技术难点等进行了分析和讨论。对比上述几种研究方法，基于双谐振腔结构单增益介质的双波长输出波长间隔较窄，通常为几到几十纳米。而双腔双增益介质结构可使双波长间隔扩大至几百纳米，但该类激光器结构较复杂。基于二维材料的双波长锁模光纤激光器具有简单紧凑、成本较低的优点，采用的二维材料需同时具有饱和吸收和高非线性折射率两种特性，从而利用显著的非线性效应有效缓解模式竞争现象，目前基于二维材料的双波长锁模光纤激光器的输出脉宽已达到飞秒量级，最窄脉宽约为600 fs，但输出功率较低。基于腔内滤波效应的双波长锁模光纤激光器有多种实现方式，输出脉冲宽度最短为百飞秒量级，光谱滤波效应可以利用多模干涉和非线性效应等技术诱导产生，滤波器的周期、中心波长和调制深度等可以通过改变器件长度和光纤双折射等相应参数进行调整，具有很好的灵活性，并且容易实现全光纤结构，应用也最为广泛。
结论与展望
综上，文章简要总结了利用双谐振腔结构、二维材料的高非线性以及腔内滤波效应来设计实现双波长锁模激光运转的技术方法。其中，基于双谐振腔结构的双波长锁模光纤激光器由于产生的激光沿不同支路传播，因此输出激光相干性较差；基于二维材料的双波长锁模光纤激光器利用二维材料同时具有饱和吸收和高非线性两种特性，来有效缓解模式竞争从而实现了双波长锁模运转；基于腔内滤波效应的双波长锁模光纤激光器有多种实现方式，其腔内滤波效应可通过在激光谐振腔内引入滤波器件、多模干涉和非线性效应如非线性偏振旋转等方式来实现，滤波器的周期、中心波长等可通过改变器件相应参数进行调整，相比于其它方式更具灵活性。
再者，双波长锁模光纤激光器目前仍面临如下挑战：激光器输出波长主要集中在1 μm和1.5 μm光谱区域，波长间隔窄且输出功率为毫瓦量级，并且由于相邻波长间隔和波长的个数对谐振腔内的偏振状态和外部环境非常敏感，多波长锁模状态很容易被打破，导致输出激光的不稳定性，因此未来研究将在输出激光脉冲波长数目、波长间隔、输出功率和工作稳定性方面有更大突破。同时，鉴于双波长单纵模光纤激光器可有效提高激光测量与传感、激光检测等精度，因此对双波长单纵模激光器的研究具有重要意义。最后，随着智能时代的到来，基于机器学习和深度学习的自动锁模光纤激光器也已出现相关理论研究，将该技术应用于双波长锁模光纤激光器来智能控制输出波长的数量和输出波长的峰值位置具有很好的应用前景，有望在光纤传感器、光谱学、激光测距和微波产生等领域发挥更大的作用。
课题组简介
河北工业大学先进激光技术研究中心吕志伟教授课题组长期致力于高功率激光技术研究。研究方向包括重复频率百焦耳高能激光技术、高能量短脉冲固体激光技术、金刚石激光技术等。目前，课题组在上述课题研究上均有持续研究及相关突破。获国家自然科学基金重大科研仪器研制项目等多项国家自然基金项目支持。荣获中央**军队科技进步一等奖2项，航空航天工业部科技进步奖二等奖1项，河北省技术发明二等奖1项等多项奖项。
